inbureИзвестия вузов. Инвестиции. Строительство. НедвижимостьIzvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost2227-29172500-154XIrkutsk National Research Technical University10.21285/2227-2917-2025-4-688-701LUBYELinbure-384Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCONSTRUCTIONПути оптимизации железобетонных конструкций заводского изготовления на основе прикладных методов теории надежностиWays to optimize factory-made reinforced concrete structures based on applied methods of reliability theoryhttps://orcid.org/0000-0001-6047-4839ДудинаИ. В.DudinaI. V.

Дудина Ирина Васильевна, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой строительных конструкций и технологии строительства

665709, г. Братск, ул. Макаренко, 40

Author ID: 315594

Irina V. Dudina, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of Building Structures and Construction Technology

40 Makarenko St., Bratsk 665709

Author ID: 315594

dydina_irina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2687-3603КамчаткинаВ. М.KamchatkinaV. M.

Камчаткина Варвара Михайловна, к.пед.н., доцент кафедры строительных конструкций и технологии строительства

665709, г. Братск, ул. Макаренко, 40

Author ID: 651157 

Varvara M. Kamchatkina, Cand. Sci. (Ped.), Associate Professor of Departments of Building structures and construction technologies

40 Makarenko St., Bratsk 665709

Author ID: 651157

varvara@kamchatkina.ruБратский государственный университетРоссияBratsk State UniversityRussian Federation202525012026154688701Copyright © Дудина И.В., Камчаткина В.М., 20262026Дудина И.В., Камчаткина В.М.Dudina I.V., Kamchatkina V.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://inbure.elpub.ru/jour/article/view/384

Целью данной работы является выбор направлений оптимизации железобетонных конструкций заводского изготовления на основе прикладных методов теории надежности, в частности вероятностных методов. Критерием необходимости оптимизации является существенное превышение расчетного показателя надежности наднормативным. Методы исследований включают вероятностно-статистическое компьютерное моделирование и натурные испытания на комбинате «Братскжелезобетон». В представленной работе были получены результаты оптимизации двух видов сборных железобетонных конструкций: многопустотных панелей перекрытия серии 1.141-1 и балок покрытия со смешанным армированием серии 1.462.1-1/88. Оптимизация многопустотных панелей перекрытия выполнялась по двум направлениям: снижение толщины панелей (h = 160 мм) и разработка облегченных панелей для малоэтажного строительства; замена одного класса напрягаемой арматуры другим более высокопрочным, вызванная производственной необходимостью для обеспечения начальной надежности этих конструкций. Выполненные исследования показали, что проблема оптимизации многопустотных панелей перекрытия является логически обоснованной как с точки зрения экономии ресурсов, так и повышения их надежности. В результате вероятностных расчетов балок со смешанным армированием была установлена область оптимального количества ненапрягаемой рабочей арматуры при коэффициенте частичного преднапряжения в диапазоне Кр = 0,65…0,75. Моделирование по разработанным программам доказало, что учет нелинейности деформирования позволяет более точно выявить резервы снижения материалоемкости конструкций и выполнить оптимизацию ее армирования. 

The purpose of this work is to select the areas of optimization of factory-made reinforced concrete structures based on applied methods of reliability theory, in particular probability methods. The criterion for the need for optimization is a significant excess of the calculated reliability indicator over the normative one. Research methods include probability-statistical computer modeling and field tests at the Bratskzhelezobeton plant. In the presented work, the results of optimization of two types of precast reinforced concrete structures were obtained: multi-cavity floor panels of the 1.141-1 series and coating beams with mixed reinforcement of the 1.462.1-1/88 series. Optimization of multi-cavity floor panels was carried out in two directions: reduction of panel thickness (h = 160 mm) and development of lightweight panels for low-rise construction; replacement of one class of tensioned reinforcement with another more high-strength, caused by industrial necessity to ensure the initial reliability of these structures. The performed studies have shown that the problem of optimizing multi-cavity floor panels is logically justified both in terms of saving resources and increasing their reliability. As a result of probabilistic calculations of beams with mixed reinforcement, the optimal amount of non-stressed working reinforcement was determined with a partial prestressing coefficient in the range of Kr = 0.65...0.75. Modeling using the developed programs proved that taking into account the nonlinearity of deformation makes it possible to more accurately identify reserves for reducing the material consumption of structures and optimize its reinforcement. 

железобетонные конструкцииснижение материалоемкостиоптимизациянадежностьвероятностные методырасчетные моделиreinforced concrete structuresreduction in material consumptionoptimizationreliabilityprobabilistic methodscalculation modelsReferencesРайзер В.Д. Теория надежности сооружений: научное издание. М.: Изд-во АСВ, 2010. 383 с.Raizer V.D. Theory of Reliability of Structures: Scientific Publication. Moscow: ASV Publishing House, 2010. 383 p. (In Russ.).Тамразян А.Г., Дудина И.В. Обеспечение качества сборных железобетонных конструкций на стадии изготовления // Жилищное строительство. 2001. № 3. С. 8–10. EDN: UIZQDH.Tamrazyan A.G., Dudina I.V. Ensuring the Quality of Precast Concrete Structures at the Manufacturing Stage. Housing Construction. 2001. № 3. С. 8–10. (In Russ.). EDN: UIZQDH.Spaethe G. Die Sicherheittragender Baukonstruktionen. Wien: Springer Vienna. 1992. 303 p.Spaethe G. Die Sicherheittragender Baukonstruktionen. Wien: Springer Vienna. 1992. 303 p.Kaverzina L., Kovalenko G., Dudina I., Belskii O. Cost Efficiency Assessment of Automated Quality Control of Precast Structures // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 143. P. 1–7. https://doi.org/10.1051/matecconf/201814304006.Kaverzina L., Kovalenko G., Dudina I., Belskii O. Cost Efficiency Assessment of Automated Quality Control of Precast Structures. MATEC Web of Conferences. 2018;143:1-7. https://doi.org/10.1051/matecconf/201814304006.Тамразян А.Г. Методология анализа и оценки надежности состояния и прогнозирование срока службы железобетонных конструкций // Железобетонные конструкции. 2023. Т. 1. № 1. С. 5–18. EDN: MGOLLW.Tamrazian A.G. Methodology for the Analysis and Assessment of the Reliability of the State and Prediction the Service Life of Reinforced Concrete Structures. Reinforced Concrete Structures. 2023;1(1):5-18. (In Russ.). EDN: MGOLLW.Tamrazyan A., Alekseytsev A. Evolutionary Optimization of Reinforced Concrete Beams, Taking Into Account Design Reliability, Safety and Risks During The Emergency Loss Of Supports // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 1–8. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199704005.Tamrazyan A., Alekseytsev A. Evolutionary Optimization of Reinforced Concrete Beams, Taking Into Account Design Reliability, Safety and Risks During The Emergency Loss Of Supports. E3S Web of Conferences. 2019;97:1-8. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199704005.Тамразян А.Г., Алексейцев А.В. Современные методы оптимизации конструктивных решений для несущих систем зданий и сооружений // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 1. С. 12–30. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.1.12-30. EDN: WVLCDG.Tamrazyan A.G., Alekseytsev A.V. Review of Modern Optimization Methods for Bearing Systems of Buildings and Structures. Monthly Journal on Construction and Architecture. 2020;15(1):12-30. (In Russ.). https://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.1.12-30. EDN: WVLCDG.Квасников А.А., Сумароков Е.В. Оптимизация армирования железобетонных конструкций зданий и сооружений при автоматизации процессов проектирования // Вестник НИЦ «Строительство». 2023. № 2. С. 136–150. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2023-2(37)-136-150. EDN: YDILFM.Kvasnikov A.A., Sumarokov E.V. Optimizing the Reinforcement of Buildings and Structures in Automatic Design Processes. Bulletin of the Scientific Research Center of Construction. 2023;2:136 150. (In Russ.). https://doi.org/10.37538/2224-9494-2023-2(37)-136-150. EDN: YDILFM.Seify Asghshahr M. Reliability Based Design Optimization of Reinforced Concrete Frames Using Genetic Algorithm// Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2021. Vol. 65. Iss. 2. P. 566–576. https://doi.org/10.3311/PPci.17150.Seify Asghshahr M. Reliability Based Design Optimization of Reinforced Concrete Frames Using Genetic Algorithm. Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2021;65(2):566-576. https://doi.org/10.3311/PPci.17150.Rubaratuka I.A. Challenges of the Quality of Reinforced Concrete Buildings in Dar es Salaam // International Journal of Engineering Research & Technology. 2013. Vol. 2. Iss. 12. P. 820–827. https://doi.org/10.17577/IJERTV2IS120282.Rubaratuka I.A. Challenges of the Quality of Reinforced Concrete Buildings in Dar es Salaam. International Journal of Engineering Research & Technology. 2013;2(12):820-827. https://doi.org/10.17577/IJERTV2IS120282.Коваленко Г.В., Дудина И.В., Жердева С.А. Практические методы оценки надежности сборных железобетонных конструкций на стадии изготовления. Монография. Братск: Изд-во Братского государственного университета, 2013. 123 с. EDN: UYKMQR.Kovalenko G.V., Dudina I.V., Zherdeva S.A. Practical Methods for Assessing the Reliability of Precast Concrete Structures at the Manufacturing Stage. Monograph. Bratsk: Bratsk State University Press, 2013. 123 p. (In Russ.). EDN: UYKMQR.Дудина И.В., Назарова Н.О. Повышение экономической эффективности конструкций заводского изготовления при оптимизации // Проблемы экономики и управления строительством в условиях экологически ориентированного развития. Материалы пятой Междунар. науч.-практ. онлайн-конф. (г. Томск, 12–13 апреля 2018 г.). Томск, 2018. С. 154–159. EDN: YQYNSH.Dudina I.V., Nazarova N.O. Increase in Economic Efficiency of Designs of Factory Production by Their Optimization. In: Problemy ekonomiki i upravleniya stroitel'stvom v usloviyakh ekologicheski orientirovannogo razvitiya. Materialy pyatoi Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi onlain-konferentsii = Problems of Construction Economics and Management in the Context of Environmentally-Oriented Development. Proceedings of the Fifth International Scientific and Practical Online Conference. 12–13 April 2018, Tomsk. Tomsk; 2018. P. 154–159. (In Russ.). EDN: YQYNSH.Коваленко Г.В., Дудина И.В., Нестер Е.В. Вероятностный подход к контролю качества и оценке начальной надежности сборных железобетонных конструкций // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2021. Т. 11. № 2. С. 274–283. https://doi.org/10.21285/2227-22021-2-274-283. EDN: WPEWVM.Kovalenko G.V., Dudina I.V., Nester E.V. A Probabilistic Approach to Quality Control and Assessing Initial Reliability Precast Reinforced Constructions. Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2021;11(2):274-283. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2227-2917-2021-2-274-283. EDN: WPEWVM.Kovalenko G.V., Dudina I.V., Nester E.V. Chance Models and Estimators of Primary Reliability of Constructions with Mixed Reinforcement // European Science and Technology: Materials of the Intemational Research and Practice Conference (Wiesbaden, 31stJanuary, 2012). Wiesbaden, 2012. P. 237–243.Kovalenko G.V., Dudina I.V., Nester E.V. Chance Models and Estimators of Primary Reliability of Constructions with Mixed Reinforcement. In: European Science and Technology: Materials of the Intemational Research and Practice Conference. 31stJanuary 2012, Wiesbaden. Wiesbaden; 2012. P. 237–243.Коваленко Г.В., Дудина И.В., Назарова Н.О. Оптимизация железобетонных конструкций заводского изготовления на вероятностной основе как фактор снижения их материалоемкости // Труды Братского государственного университета. Серия: естественные и инженерные науки. 2018. Т. 1. С. 156–160. EDN: YURQNV.Kovalenko G.V., Dudina I.V., Nazarova N.O. Optimization of Prefabricated Reinforced Concrete Structures on a Probabilistic Basis as a Factor in Reducing Their Material Consumption. Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: estestvennye i inzhenernye nauki. 2018;1:156-160. (In Russ.). EDN: YURQNV.Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат. 1996. 416 с.Karpenko N.I. General Models of Reinforced Concrete Mechanics. Moscow: Stroyizdat. 1996. 416 p (In Russ.).Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. М.: Стройиздат.1982. 287 с.Bondarenko V.M., Bondarenko S.V. Engineering Methods of Nonlinear Theory of Reinforced Concrete. Moscow: Stroyizdat.1982. 287 p. (In Russ.).Jian-Ping Lin, Guannan Wang, Rongqiao Xu Particle Swarm Optimization–Based Finite-Element Analyses and Designs of Shear Connector Distributions for Partial-Interaction Composite Beams // Journal of Bridge Engineering. 2019. Vol. 24. Iss. 4. P. 1–20. https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001371.Jian-Ping Lin, Guannan Wang, Rongqiao Xu Particle Swarm Optimization–Based Finite-Element Analyses and Designs of Shear Connector Distributions for Partial-Interaction Composite Beams. Journal of Bridge Engineering. 2019;24(4):1-20. https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001371.El Abdelouafi G., Benaissa K., Abdellatif K. Reliability Analysis of Reinforced Concrete Buildings: Comparison between FORM and ISM // Procedia Engineering. 2015. Vol. 114. P. 650–657. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.006.El Abdelouafi G., Benaissa K., Abdellatif K. Reliability Analysis of Reinforced Concrete Buildings: Comparison between FORM and ISM. Procedia Engineering. 2015;114:650-657. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.006.Youbao Jiang, Suixiang Peng, Beer M., Lei Wang, Jianren Zhang Reliability Evaluation of Reinforced Concrete Columns Designed By Eurocode for Wind-Dominated Combination Considering Random Loads Eccentricity // Advances in Structural Engineering. 2019. Vol. 23. Iss. 1. P. 146–159. https://doi.org/10.1177/1369433219866089.Youbao Jiang, Suixiang Peng, Beer M., Lei Wang, Jianren Zhang Reliability Evaluation of Reinforced Concrete Columns Designed By Eurocode for Wind-Dominated Combination Considering Random Loads Eccentricity. Advances in Structural Engineering. 2019;23(1):146-159. https://doi.org/10.1177/1369433219866089.Szep J., Habashneh M., Logo J., Rad M.M. Reliability Assessment of Reinforced Concrete Beams under Elevated Temperatures: A Probabilistic Approach Using Finite Element and Physical Models // Sustainability. 2023. Vol. 15. Iss. 7. P. 1–20. https://doi.org/10.3390/su15076077.Szep J., Habashneh M., Logo J., Rad M.M. Reliability Assessment of Reinforced Concrete Beams under Elevated Temperatures: A Probabilistic Approach Using Finite Element and Physical Models. Sustainability. 2023;15(7):1-20. https://doi.org/10.3390/su15076077.Qiang Zhang, Yan-Gang Zhao, Kristijan Kolozvari, Lei Xu Reliability Analysis of Reinforced Concrete Structure Against Progressive Collapse // Reliability Engineering & System Safety. 2022. Vol. 228. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.ress.2022.108831.Qiang Zhang, Yan-Gang Zhao, Kristijan Kolozvari, Lei Xu Reliability Analysis of Reinforced Concrete Structure Against Progressive Collapse. Reliability Engineering & System Safety. 2022;228:1-13. https://doi.org/10.1016/j.ress.2022.108831.Voss J. An Introduction to Statistical Computing: A Simulation-Based Approach. Chichester: Wiley, 2013. 396 p.Voss J. An Introduction to Statistical Computing: A Simulation-Based Approach. Chichester: Wiley, 2013. 396 p.Ditlevsen O. Stochastic Model of Self‐Weight Load // Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114. Iss. 1. P. 1–10. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:1(222).Ditlevsen O. Stochastic Model of Self‐Weight Load. Journal of Structural Engineering. 1988;114(1):1-10. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:1(222).Коваленко Г.В., Меньщикова Н.С. Анализ результатов компьютерного моделирования напряженнодеформированного состояния железобетонных балок со смешанным армированием и оценка их надежности на основе нелинейно-деформационной модели // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. № 4. С. 93–96. EDN: KWWDBV.Kovalenko G.V., Menshchikova N.S. Analysis of The Results of Computer Modeling of The Stress-Strain State of Reinforced Concrete Beams with Mixed Reinforcement and Assessment of Their Reliability Based on A Nonlinear Deformation Model. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie. 2009;4:93-96. (In Russ.). EDN: KWWDBV.Тамразян А.Г., Дудина И.В. Учет нелинейных свойств материалов при расчете конструкций со смешанным армированием // Бетон и железобетон. 2003. № 2. С. 11–12.Tamrazyan A.G., Dudina I.V. Taking into Account Nonlinear Properties of Materials When Calculating Structures with Mixed Reinforcement. Concrete and Reinforced Concrete. 2003;2:11-12. (In Russ.).Дудина И.В., Рамазанова Г.А., Нестер Е.В. Влияние некоторых конструктивных параметров совмещенного армирования железобетонных балок при оценке их предельных состояний // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 2. С. 139–145. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-139-145. EDN: XYMYZN.Dudina I.V., Ramazanova G.A., Nester E.V. Influence of Some Design Parameters of the Combined Reinforcement of Concrete Beams in Assessing Their Limit States. Systems. Methods. Technologies.Байрамуков С.Х., Долаева З.Н. Оценка прочности и деформативности частично предварительно напряженных элементов по деформационной модели // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. С. 1–12. EDN: YATGLR.;2:139-145. (In Russ.). https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-139-145. EDN: XYMYZN.Залесов А.С., Чистяков Е.А., Ларичева И.Ю. Деформационная расчетная модель железобетонных элементов при действии изгибающих моментов и продольных сил // Бетон и железобетон.1996. № 5. С. 16–18.Bayramukov S.H., Dolaeva Z.N. Evaluation of the Strength and Deformation of Partially Prestressed Elements by the Deformation Model. Engineering Journal of Don. 2018;2:1-12. (In Russ.). EDN: YATGLR.Плевков В.С., Балдин И.В., Балдин С.В., Ласковенко А.Г., Ласковенко Г.А. Прочность и трещиностойкость железобетонных элементов при совместном действии изгибающих моментов, продольных и поперечных сил // Современные проблемы расчета железобетонных конструкций, зданий и сооружений на аварийные воздействия. Международная научная конференция, посвященная 85-летию кафедры железобетонных и каменных конструкций и 100-летию со дня рождения Н.Н. Попова (г. Москва, 19–20 апреля 2016 г.). М., 2016. С. 323–328. EDN: TSXRHW.Zalesov A.S., Chistyakov E.A., Laricheva I.Yu. Deformation Calculation Model of Reinforced Concrete Elements under the Action of Bending Moments and Longitudinal Forces. Concrete and Reinforced Concrete. 1996;5:16-18. (In Russ.).Plevkov V.S., Baldin I.V., Baldin S.V., Laskovenko A.G., Laskovenko G.A. Strength and Crack Resistance of Reinforced Concrete Elements under the Combined Action of Bending Moments, Longitudinal and Transverse Forces. In: Sovremennye problemy rascheta zhelezobetonnykh konstruktsii, zdanii i sooruzhenii na avariinye vozdeistviya. Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya, posvyashchennaya 85-letiyu kafedry zhelezobetonnykh i kamennykh konstruktsii i 100-letiyu so dnya rozhdeniya N.N. Popova = Current Problems of Calculating Reinforced Concrete Structures, Buildings, and Facilities for Accident Impacts. International Scientific Conference Dedicated to the 85th Anniversary of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures and the 100th Anniversary of N.N. Popov's Birth. 19–20 April 2016, Moscow. Moscow; 2016. P. 323–328. (In Russ.). EDN: TSXRHW.Plevkov V.S., Baldin I.V., Baldin S.V., Laskovenko A.G., Laskovenko G.A. Strength and Crack Resistance of Reinforced Concrete Elements under the Combined Action of Bending Moments, Longitudinal and Transverse Forces. In: Sovremennye problemy rascheta zhelezobetonnykh konstruktsii, zdanii i sooruzhenii na avariinye vozdeistviya. Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya, posvyashchennaya 85-letiyu kafedry zhelezobetonnykh i kamennykh konstruktsii i 100-letiyu so dnya rozhdeniya N.N. Popova = Current Problems of Calculating Reinforced Concrete Structures, Buildings, and Facilities for Accident Impacts. International Scientific Conference Dedicated to the 85th Anniversary of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures and the 100th Anniversary of N.N. Popov's Birth. 19–20 April 2016, Moscow. Moscow; 2016. P. 323–328. (In Russ.). EDN: TSXRHW.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.